一种基于状态转移的双向DCDC系统及方法与流程

本发明涉及双向DCDC领域，具体涉及一种基于状态转移的双向DCDC系统及方法。

背景技术：

近年来，电力电子技术随着功率半导体的飞速发展得到重视，在需要进行升降压的能量双向流动场合，双向DCDC变换器是直流领域的不二选择。

但是传统的双向DCDC在进行发生故障或功率方向变换时，基本都是简单粗暴地把系统PWM波形关闭，由于双向DCDC都有磁性元件，这种粗暴的方法在处理不当时会让磁性元件两端电压骤升，严重时损坏开关管和磁性元件。

目前有针对双向DCDC进行多模式控制的技术，但都需要在切换过程中关闭功率管，未能解决上述问题。

论文“大功率双向DC_DC变换器拓扑结构及其分析理论研究”一文提出了状态转移的升降压切换方法，但是在双向DCDC怠机时，功率开关均关闭，未能解决上述问题。

论文“双向DC_DC变换器的数字控制研究与设计”一文提出的一种基于延时的切换方法，在这种切换方法中，无法根据系统的状态进行准确切换，实际上也未解决上述问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于状态转移的双向DCDC系统及方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于状态转移的双向DCDC系统，包括双向全桥变换器、DCDC双向控制器、用于工作状态切换的状态转移模块及过限与保护模块，所述DCDC双向控制器输出驱动信号到双向全桥变换器；

所述状态转移模块输入四种信号，分别为DCDC双向控制器使能信号、DCDC双向控制器模式变更信号、DCDC双向控制器的电感零电流指示信号及过限与保护模块的系统异常输入信号；所述状态转移模块输出电流设定值切换信号和驱动失能信号到DCDC双向控制器；

所述过限与保护模块输入双向全桥变换器的电压及电流信号。

所述DCDC双向控制器包括操作台、PWM模拟控制器及控制环切换器；

所述操作台包括DCDC双向控制器使能模块、模式变更模块及电感零电流指示模块；

所述PWM模拟控制器包括升压和降压控制器，在状态转移模块的作用下实现升降压切换；

所述控制环切换器包括电压环和电流环。

所述状态转移模块包括延迟恢复运行模块、错误状态模块、系统状态机及输出信号逻辑运算模块，所述延迟恢复运行模块及错误状态模块与系统状态机连接，系统状态机与输出逻辑运算连接。

所述双向全桥变换器包括大压差启动保护双向IGBT、电压传感器、电流传感器、降压全桥IGBT组及升压全桥IGBT组。

一种双向DCDC系统的状态转移方法，系统包括功率方向切换、故障和启停三种工况，且包括锁定、离线、待机和运行共四种工作状态，具体工作状态转移方法如下：

系统开机后启动前进入锁定状态，若电感零电流指示信号为高电平，则进入离线状态；若电感零电流指示信号为高电平且异常信号是否为低电平，则进入待机状态；否则不转移状态；

进入待机状态后，若DCDC双向控制器使能信号为高电平，且模式变更信号为高电平和异常信号是否为低电平，则进入运行状态，否则保持待机状态；

进入运行状态之后，判断DCDC双向控制器使能信号是否为低电平、DCDC双向控制器模式变更信号是否为低电平及过限与保护模块的异常信号是否为高电平，若有一个条件成立，则进入离线状态，否则保持运行状态；

进入离线状态之后，状态切换模块输出电流设定值切换信号把电流环的给定切换到0给定，这时系统的电压环被切除，系统工作在电流给定为0的电流单环模式，此时若电感零电流指示信号为高电平则进入待机状态，否则运行延迟恢复运行模块，100us之后再判断DCDC双向控制器使能信号、DCDC双向控制器模式变更信号及过限与保护模块的异常信号，若DCDC双向控制器使能信号为高电平，且模式变更信号为高电平和异常信号为低电平，则根据目前系统状态输出电流设定值切换信号，再快速进入运行状态。

所述异常信号包括过压异常、过流异常及工作模式异常。

本发明的有益效果：

(1)在功率方向切换、故障和启停三种系统工况下，系统都能根据状态转移模块监测的信息进行判断，并能够在PWM模拟控制器的作用下快速响应；

(2)在系统有工况发生时，能够通过设定电流给定，并根据系统状态转移实现系统输出能量大于输入能量，实现能量的有效管理；

(3)在系统中磁性元件储存的能量完之后，系统的故障工况仍然没法得到恢复时锁定系统，保证系统的安全，在系统恢复正常之后在手动启动，保障系统的可靠；

(4)所有用于判断的信号都是逻辑信号，抗扰性强，传输时延小，可靠性高，容易实现可编程硬件系统进行多线程控制，进一步提高可靠性。

(5)实现无异常时实现功率方向快速切换。

(6)DCDC双向变换器的设计大大简化并提高了控制的快速性和可靠地，降低了设备的成本，并且，在没有外部状态转移模块的控制下，系统一直处于锁定状态，保障了系统安全。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明的模块组成与连接图；

图3是本发明的过限与保护模块主要模拟电路图；

图4是本发明的状态转移模块的组成结构图；

图5是本发明的状态转移模块中的各模块连接图；

图6是本发明的状态转移模块中的系统状态机简图；

图7是本发明的离线状态的系统控制框图；

图8(a)及图8(b)是本发明进行两个功率方向切换的实验波形图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1及图2及图3所示，一种基于状态转移的双向DCDC系统，包括双向全桥变换器、DCDC双向控制器、状态转移模块及过限与保护模块，所述状态转移模块输入四种信号，分别是来自过限与保护模块的系统异常输入信号及来自DCDC双向控制器的使能信号、模式变更信号及电感零电流指示信号，所述状态转移模块输出电流设定值切换信号和驱动失能信号到DCDC双向控制器。

所述过限与保护模块输入双向全桥变换器的电压及电流信号。

所述DCDC双向控制器输出驱动信号到双向全桥变换器。

所述状态转移模块负责系统的状态切换，包括从稳态到暂态再到稳态的所有判断和执行工作，实现了一个状态转移模块对整个控制系统的控制，实现了对系统所有关键信号的判断，合理修改控制给定和控制输出，保障系统在功率方向切换、故障和启停三种工况下系统仍能快速可靠地响应。

所述DCDC双向控制器包括操作台、PWM模拟控制器及控制环切换器，其中操作台包括DCDC双向控制器使能模块、模式变更模块及电感零电流指示模块；

所述PWM模拟控制器包括升压和降压控制器，在状态转移模块的作用下实现升降压切换；

所述控制环切换器包括电压环和电流环。

这样的设计方式使得双向变换器可以单向设计，最后由状态转移模块来实现状态的转移和功率方向的切换，最终实现双向DCDC系统。而且，传统的PWM模拟控制器是纯硬件控制，复杂度低，成本低，可靠性高，控制效果好，是双向DCDC系统快速切换功率方向的基础。

所述双向全桥变换器包括大压差启动保护双向IGBT、电压传感器、电流传感器、降压全桥IGBT组及升压全桥IGBT组，提高该系统的适用范围。

如图4及图5及图6所示，所述状态转移模块包括延迟恢复运行模块、错误状态模块、系统状态机及输出信号逻辑运算模块。

为了保证可靠转移，本发明在原有的系统状态机的基础上加入了延时恢复运行模块、错误状态模块和输出信号逻辑运算模块，辅助系统状态机的进行转移状态和保护DCDC双向变换器。同时，状态转移模块的异常输入信号包括过压异常、过流异常及工作模式异常。

同时，通过加入大压差启动保护双向IGBT修改主电路拓扑，实现大压差升压启动时在电感电流过限时实现关断，切断升压的能量来源，等待电感电流恢复到正常电流值30A以下再次接通该双向IGBT，继续为后级提供能量。若无过流信号，则一直接通该双向IGBT。

如图7所示，本发明包括三种工况，分别是系统故障、功率方向切换和停机，为了实现这三个状态的系统可状态转移，所述状态包括锁定、待机、运行及离线状态，而四种状态的状态转移依赖于电感零电流指示、DCDC双向控制器使能信号、DCDC双向控制器模式变更信号和过限与保护模块的异常信号。这样的设计方案中，所有的信号都是电平信号，抗扰性强，传输时延小，有益于利用可编程硬件电路来实现多线程快速判断。同时依赖于上述四种系统信号的监测，综合考虑了系统使用出现故障、功率方向发生切换或者系统启停等三种工况，系统的功能完善。

由于双向DCDC系统都包括升压和降压模式，发生功率方向变化或者是故障时，若马上封锁一侧IGBT组的PWM信号，然后开启另一侧的PWM信号会导致系统中的电流没法正常换向，从而炸毁IGBT组，损坏系统。

具体转移方法为：

(1)系统开机后启动前进入锁定状态，若电感零电流指示信号为高电平，则进入离线状态；若电感零电流指示信号为高电平且异常信号是否为低电平，则进入待机状态；否则不转移状态；

(2)进入待机状态后，若DCDC双向控制器使能信号为高电平，且模式变更信号为高电平和异常信号是否为低电平，则进入运行状态，否则保持待机状态；

(3)进入运行状态之后，判断DCDC双向控制器使能信号是否为低电平、DCDC双向控制器模式变更信号是否为低电平及过限与保护模块的异常信号是否为高电平，若有一个条件成立，则进入离线状态，否则保持运行状态；

(4)进入离线状态之后，状态切换模块输出电流设定值切换信号把电流环的给定切换到0给定，这时系统的电压环也被切除，工作在电流给定为0的电流单环模式，此时若电感零电流指示信号为高电平则进入待机状态，否则运行延迟恢复运行模块，100us之后再判断DCDC双向控制器使能信号、DCDC双向控制器模式变更信号及过限与保护模块的异常信号，若DCDC双向控制器使能信号为高电平，且模式变更信号为高电平和异常信号为低电平，则根据目前系统状态输出电流设定值切换信号，再快速进入运行状态。

基于状态转移的双向DCDC系统的关键在于离线模式，在离线模式下，系统并没有锁定系统的PWM输出，而是通过状态转移模块输出电流设定值切换信号把图中粗黑框所示的给定切换开关切换到电流环的0给定，从而实现离线模式下保护运行，一方面，由于电流环设定为0，系统根据DCDC控制算法快速下降到0电流输出，防止能量进一步输送进系统引起系统故障，另一方面并没像现有技术那样直切PWM驱动或者直接封锁PWM驱动，而是保持PWM驱动一直工作在正常模式下，直到系统的电感电流下降到0时再封锁PWM驱动，为系统内部的能量提供了合理的释放途径。

如图8(a)及图8(b)所示，在进行过限与保护模块无异常的功率方向切换时，系统进入离线模式，快速的控制系统让电感电流快速下降到0，在此时进入待机模式并进行升降压驱动信号切换，实现零电流功率方向切换，同时切换电流环给定开关，进入运行态，实现新功率方向的快速启动。实验证明这种快速切换的方法在电流模式下能够在2个控制周期内让电流下降到0，而且能够在2个控制周期内让电流上升到指定值。停留在待机态的时延可由系统内部自定义，此处设定为100us，这样实现了功率方向快速可控切换。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。